CN108316320A - 一种不稳定边坡加固设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种不稳定边坡加固设计方法，包括步骤：(1)确定设计中的边坡处于不稳定状态；(2)搜索安全系数等于1的滑动面，并将滑动土体方量为最大值的滑动面作为破坏滑动面；(3)依据所述破坏滑动面的位置设计支护锚杆的长度及数量，确定初步加固设计方案；(4)对加固后边坡稳定性进行验证，直至其最小安全系数大于1并满足相关规范要求。本发明基于安全系数等于1并且滑动土体方量取极大值的策略来确定滑动面位置，进而计算锚杆长度并最终使不稳定边坡趋于稳定，通过有效的确定真正破坏滑动面，从而能够有效地确定锚杆长度，最终给出合理的锚杆支护方案，其可靠性及稳定性高，具有广泛的实用及经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及边坡稳定分析与加固设计技术领域,具体涉及一种基于安全系数等于1且滑动土体方量取极大值的策略来确定滑动面位置，最终使不稳定边坡趋于稳定的加固设计方法。
背景技术
我国每年都会发生滑坡地质灾害，在夏季，该种地质灾害尤其肆虐。滑坡发生时伴随着一定方量的岩土体自高处移动到低处，给沿途的建筑物或者人员造成损失或伤亡。譬如在2017年，四川茂县叠溪镇新磨村和贵州省毕节市纳雍县张家湾镇突发山体垮塌，造成不同数量的人员被掩埋，直接经济损失上亿元。因此，为了有效避免滑坡灾害的发生，在边坡设计时要针对不稳定边坡进行加固设计，从而保证边坡在运营阶段保持稳定状态。故而，合理有效的边坡加固设计方法显得尤其重要，特别是对在设计阶段就凸显不稳定趋势的边坡而言更是如此。
在设计阶段，边坡坡度限于种种因素影响不能保持边坡稳定，因此必须采取锚杆支护等其他支护手段进行加固设计。常规的边坡稳定分析方法，譬如极限平衡方法和有限元强度折减法都是进行最小安全系数的搜索工作，然后找到其对应的临界滑动面来指导边坡加固设计。目前在边坡加固设计领域，采用最小安全系数对应的临界滑动面来指导设计是本领域通用的策略，但是，对于设计阶段呈现不稳定趋势的边坡而言，传统方法得到的最小安全系数对应的临界滑动面实际上与真实的破坏滑动面相差甚远，进而会导致具体设计时依据最小安全系数滑动面确定的锚杆长度过短，无法提供真正的锚固作用，最终导致加固设计达不到预期效果。
因此目前亟需克服传统思维限制，跳出依据最小安全系数对应的临界滑动面来指导边坡加固设计的局限，提出一种能够合理有效地进行不稳定边坡破坏真正滑动面的确定、并进行锚杆长度计算，最终进行边坡加固设计的新方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对传统依据最小安全系数所对应的临界滑动面进行加固设计时，设计方案难以提供真正的锚固作用、达不到预期效果的缺陷，提出一种基于安全系数等于1且滑动土体方量取极大值的策略来确定滑动面位置，最终使不稳定边坡趋于稳定的加固设计新方法。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种不稳定边坡加固设计方法，包括以下步骤：
A、对设计中的边坡稳定性进行校核，当边坡处于不稳定状态时，执行步骤B；
B、搜索安全系数等于1的滑动面，并将滑动土体方量为最大值的滑动面作为破坏滑动面；
C、依据所述破坏滑动面的位置设计支护锚杆的长度及数量，确定初步加固设计方案；
D、对加固后边坡稳定性进行验证，若不满足要求，则重复执行步骤C，直至其最小安全系数大于1并满足相关规范要求。
进一步的，所述步骤A中，对设计中的边坡稳定性进行校核时，依据边坡的设计参数，采用极限平衡法分析其最小安全系数，所述边坡的设计参数包括坡高H、边坡土体材料容重γ、粘聚力c和内摩擦角当最小安全系数小于1时，则判定为所设计的边坡不稳定，需要加固设计。
进一步的，所述步骤B中，在确定破坏滑动面时，包括以下步骤：
B1、对所设计的边坡的几何模型进行有限元计算，根据有限元节点是否发生位移确定边坡可能的滑动范围[xl,xr]；
B2、在边坡可能的滑动范围[xl,xr]内随机生成x1i和x2i，且x1i＜x2i，根据x1i，x2i以及边坡的坡面线y(x)确定滑动面的滑入点坐标(x2i,y(x2i))和滑出点坐标(x1i,y(x1i))；
B3、随机生成半径R，根据滑入点和滑出点坐标生成可行滑动面S(xi),并计算其对应的安全系数及滑动体积Vi；
B4、重复执行步骤B2和步骤B3，生成n个可行滑动面，i＝1,2,3……n，在n个可行滑动面中搜索安全系数等于1，并且其滑动体积为最大值的滑动面，作为破坏滑动面Sd。
进一步的，所述步骤C中，依据所述破坏滑动面进行支护锚杆的长度及数量设计时，具体包括以下步骤：
C1、根据上覆土层最小厚度要求确定最上层锚杆的起始点，并设定锚杆倾角α，由起始点按照倾角α做一条射线交于破坏滑动面上一点，两点之间的长度即为锚杆自由段的长度，根据相关技术规范要求确定锚固段的长度，锚杆自由段长度与锚固段长度之和即为锚杆长度；
C2、依据锚杆规范中垂直间距要求确定下一层锚杆的起始点，根据剩余滑动推力确定所需锚杆数量，进而确定初步加固设计方案。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案提出的不稳定边坡加固设计方法，在极限平衡方法框架内，首先确定设计边坡处于不稳定状态，然后搜索边坡的破坏滑动面，重要的是，所述破坏滑动面的安全系数等于1且其滑动土体方量为最大。本方案有效克服传统技术偏见，摆脱最小安全系数法确定破坏滑动面的所带来的实践不足，通过安全系数等于1且滑动土体方量最大所对应的滑动面反应真实的破坏滑动面，进而为锚杆加固设计提供合理有效的依据，能够给真正的破坏滑动面提供有效合理的阻力，锚杆支护方案稳定性及可靠性高，对滑坡现象的遏制起到显著的效果。
附图说明
图1为本发明实施例所述加固设计方法流程框图；
图2为本发明实施例不稳定边坡几何示意图；
图3为本发明实施例边坡有限元计算模型示意图；
图4为本发明实施例破坏滑动面以及锚杆设计位置示意图；
图5为本发明实施例锚杆支护方案效果图；
图6为传统最小安全系数滑动面锚杆支护方案设计图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例，一种不稳定边坡加固设计方法，参考图1，包括以下步骤：
一、对设计中的边坡稳定性进行校核，当边坡处于不稳定状态时，执行步骤二；
二、搜索安全系数等于1的滑动面，并将滑动土体方量为最大值的滑动面作为破坏滑动面；
三、依据所述破坏滑动面的位置设计支护锚杆的长度及数量，确定初步加固设计方案；
四、对加固后边坡稳定性进行验证，若不满足要求，则重复执行步骤C，直至其最小安全系数大于1并满足相关规范要求。
具体的，下面结合具体的实例，以某路基填土边坡进行详细介绍，如图2所示，该边坡坡高5m，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)，判定其安全等级为三级边坡，又限于建筑选线等方面的考量，该设计边坡的坡角最小为45°，填土的粘聚力为1.67kpa，内摩擦角为13.14°。
一、对设计中的边坡稳定性进行校核：
对设计中的边坡稳定性进行校核时，依据边坡的设计参数，采用极限平衡法分析其最小安全系数，所述边坡的设计参数包括坡高H、边坡土体材料容重γ、粘聚力c和内摩擦角等；按照极限平衡方法中的简化毕晓普法计算其最小安全系数为0.46，则可知该边坡不稳定，亟需加固设计。图2中的虚线为最小安全系数对应的临界滑动面。
二、搜索安全系数等于1的滑动面，并将滑动土体方量为最大值的滑动面作为破坏滑动面：
(1)根据图2中所示的边坡的几何模型及其填土材料参数进行有限元计算，得到其位移变形图如图3所示，根据有限元节点是否发生位移确定边坡可能的滑动范围[xl,xr]，由图3可知，边坡左侧具有位移的边界点位于坡宽坐标等于2m处，边坡右侧具有位移的边界位于坡宽坐标等于24m处，因此，xl＝2和xr＝24用于破坏滑动面的搜索中；
具体搜索过程如下：
Ⅰ、在边坡可能的滑动范围[xl,xr]内随机生成x1i和x2i，且x1i＜x2i，根据x1i，x2i以及边坡的坡面线y(x)确定滑动面的滑入点坐标(x2i,y(x2i))和滑出点坐标(x1i,y(x1i))；
Ⅱ、随机生成半径R，根据滑入点和滑出点坐标生成可行滑动面S(xi),并计算其对应的安全系数及滑动体积Vi；
Ⅲ、重复执行步骤Ⅰ和步骤Ⅱ，生成n个可行滑动面，i＝1,2,3……n，在n个可行滑动面中搜索安全系数等于1，并且其滑动体积为最大值的滑动面，作为破坏滑动面Sd。
(2)依据上述搜索过程，设n为10000，当然也可以取其他数值，经过计算，得到破坏滑动面Sd的位置如图4所示，其安全系数等于1，可以看出，其与图2中传统最小安全系数对应的滑动面相差甚远，而由本方案得到的安全系数等于1，且滑动体积最大的滑动面更能真实的反应破坏状态。
三、依据上述破坏滑动面Sd的位置设计支护锚杆的长度及数量，确定初步加固设计方案：
根据得到的Sd进行锚杆长度计算，首先根据上覆土层最小厚度要求确定最上层锚杆的起始点，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)选定锚杆倾角α＝20°，由起始点按照倾角α做一条射线交于破坏滑动面上一点，两点之间的长度即为锚杆自由段的长度，根据上述技术规范要求确定锚固段的长度，锚杆自由段长度与锚固段长度之和即为锚杆长度；依据锚杆规范(GB50330-2002)中垂直间距要求确定下一层锚杆的起始点，根据剩余滑动推力确定所需锚杆数量，锚杆垂直间距取1.5m，共设3根锚杆A1、A2、A3，如图4所示，自上而下三根锚杆的两端坐标分别为：(14.5,7)和(25.5,3.0)；(13.0,5.5)和(24.0,1.5)；(11.5,4.0)和(22.0,0.18)，锚固力均为100kN，三根锚杆的锚固段长度均为4.3m，满足(GB50330-2002)要求的最小4m要求。
四、对加固后边坡稳定性进行验证，若不满足要求，则重复执行步骤三，直至其最小安全系数大于1并满足相关规范要求：
边坡经锚杆支护后，重新计算最小安全系数为1.29，可能的滑动面如图5中的曲线Sm所示。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)中表5.3.1规定，三级边坡中关于圆弧滑动法的最小安全系数为1.20，因此上述锚杆支护设计满足规范要求。若初步设计结果不满足条件，则返回步骤三重新设计，包括变换倾角α，增加锚固段长度，增加锚杆个数等方式，直至其最小安全系数大于1并满足《建筑边坡工程技术规范》要求。
为了证明本发明方法的有效性，现进行对比分析，传统的加固设计方法是基于图2中虚线所示的最小安全系数滑动面进行锚杆长度确定，并进而确定锚杆加固方案。根据最小安全系数滑动面设计后的锚杆支护方案如图6所示，自上而下共设置15根锚杆，锚固力同样设计为100kN，15根锚杆的坐标设计如表1所示：
表1最小安全系数滑动面设计对应的15根锚杆的坐标
| 锚杆 | 起点x | 起点y | 终点x | 终点y |
| 1 | 15 | 7.5 | 17.1 | 5.3 |
| 2 | 14.6 | 7.1 | 16.8 | 5.0 |
| 3 | 14.3 | 6.8 | 16.4 | 4.7 |
| 4 | 13.9 | 6.4 | 16.0 | 4.4 |
| 5 | 13.6 | 6.1 | 15.7 | 4.0 |
| 6 | 13.2 | 5.7 | 15.4 | 3.6 |
| 7 | 12.9 | 5.4 | 15.0 | 3.3 |
| 8 | 12.5 | 5.0 | 14.6 | 2.9 |
| 9 | 12.2 | 4.6 | 14.3 | 2.6 |
| 10 | 11.8 | 4.3 | 14.0 | 2.2 |
| 11 | 11.5 | 4.0 | 13.6 | 1.9 |
| 12 | 11.1 | 3.6 | 13.2 | 1.5 |
| 13 | 10.7 | 3.2 | 12.9 | 1.1 |
| 14 | 10.4 | 2.9 | 12.5 | 0.8 |
| 15 | 10.0 | 2.5 | 12.2 | 0.4 |
经计算，该种支护方案加固后，边坡的最小安全系数为0.87，无法满足规范最小安全系数大于1.2的要求，锚杆支护方案设计失败，需要重新设计。失败的原因在于：破坏滑动面的确定对锚杆长度设计至关重要。传统设计，将最小安全系数对应的滑动面视为破坏滑动面，然而该滑动面(图2虚线所示滑动面)与边坡失稳的真正破坏滑动面(图4实线所示滑动面)相差很远，因此导致图6所示支护方案中锚杆长度不够，无法给真正的破坏滑动面提供阻力以使边坡趋于稳定，且所述锚杆数量多，经济性也较差。
因此，本发明提出的安全系数等于1并且滑动土体方量取极大值确定的破坏滑动面能够有效确定真正破坏滑动面，从而能够有效地确定锚杆长度，最终提出合理的锚杆支护方案，是一种合理有效地进行不稳定边坡锚杆支护方案设计的新发明方法，具有广泛的实用及经济价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种不稳定边坡加固设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、对设计中的边坡稳定性进行校核，当边坡处于不稳定状态时，执行步骤B；
B、搜索安全系数等于1的滑动面，并将滑动土体方量为最大值的滑动面作为破坏滑动面；
C、依据所述破坏滑动面的位置设计支护锚杆的长度及数量，确定初步加固设计方案；
D、对加固后边坡稳定性进行验证，若不满足要求，则重复执行步骤C，直至其最小安全系数大于1并满足相关规范要求。
2.根据权利要求1所述的不稳定边坡加固设计方法，其特征在于：所述步骤A中，对设计中的边坡稳定性进行校核时，依据边坡的设计参数，采用极限平衡法分析其最小安全系数，所述边坡的设计参数包括坡高H、边坡土体材料容重γ、粘聚力c和内摩擦角当最小安全系数小于1时，则判定为所设计的边坡不稳定，需要加固设计。
3.根据权利要求1所述的不稳定边坡加固设计方法，其特征在于：所述步骤B中，在确定破坏滑动面时，包括以下步骤：
B1、对所设计的边坡的几何模型进行有限元计算，根据有限元节点是否发生位移确定边坡可能的滑动范围[xl,xr]；
B2、在边坡可能的滑动范围[xl,xr]内随机生成x1i和x2i，且x1i＜x2i，根据x1i，x2i以及边坡的坡面线y(x)确定滑动面的滑入点坐标(x2i,y(x2i))和滑出点坐标(x1i,y(x1i))；
B3、随机生成半径R，根据滑入点和滑出点坐标生成可行滑动面S(xi),并计算其对应的安全系数及滑动体积Vi；
B4、重复执行步骤B2和步骤B3，生成n个可行滑动面，i＝1,2,3……n，在n个可行滑动面中搜索安全系数等于1，并且其滑动体积为最大值的滑动面，作为破坏滑动面Sd。
4.根据权利要求1-3任一项所述的不稳定边坡加固设计方法，其特征在于：所述步骤C中，依据所述破坏滑动面进行支护锚杆的长度及数量设计时，具体包括以下步骤：
C1、根据上覆土层最小厚度要求确定最上层锚杆的起始点，并设定锚杆倾角α，由起始点按照倾角α做一条射线交于破坏滑动面上一点，两点之间的长度即为锚杆自由段的长度，根据相关技术规范要求确定锚固段的长度，锚杆自由段长度与锚固段长度之和即为锚杆长度；
C2、依据锚杆规范中垂直间距要求确定下一层锚杆的起始点，根据剩余滑动推力确定所需锚杆数量，进而确定初步加固设计方案。
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